切德克苏河河道堤防工程设计要点分析

覃清波

(新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院，新疆 伊宁 835000)

河道堤防对于地区防洪具有重要意义。但目前很多河道由于年代久远，受制于当时的材料、施工技术，导致堤防质量差，甚至很多河段堤防就是天然土坡，难以满足实际需求，因此必须进行治理。而河道治理中，河堤护坡形式多样，其综合成本、生态影响、通洪能力均有差别，因此必须通过合理对比设计来取得最佳方案。

1 工程概况

切德克苏河位于霍尔果斯市东部，补给来源主要为冰川融雪和降水混合型补给。本工程是对伊车嘎善乡段切德克苏河(13+400至17+500)段西岸防洪堤进行治理，总计长度4.1 km，主要保护流域内1.32万人及0.200 7×104hm2农田安全。根据《防洪标准》(GB 50201-2014)，确定该段防洪工程等级为Ⅳ级，防洪标准为10年一遇。

2 河道设计洪水位计算

2.1 设计洪峰流量

设计洪水水位是河道防洪设计的基本资料和依据。本工程以伊犁州水文局提供的《霍尔果斯市切德克苏河防洪工程洪水水文分析计算报告》单行本为依据，并结合其他理论计算方法，根据各计算节点推求的水位流量关系，估算该河段防洪断面的设计洪峰流量，具体成果见表1。最终通过综合水文资料和理论计算结果，确定将P=10%的洪峰流量作为参考标准，设计洪峰流量Q=218 m3/s[1]。

表1 各计算节点断面不同频率设计洪峰流量 /m3·s-1

2.2 设计洪水位

切德克苏河现状河道过水断面极不规则，且糙率、底宽存在较大差别，但经整治后会形成较规则的过水断面，底宽、糙率、纵坡、堤防边坡等参数也会基本相同。为方便计算，本项目按照明渠均匀流公式来确定河道水面线[2]：

(1)

其中：Q为设计洪峰流量，取值218 m3/s；C为谢才系数；i为渠底纵坡，(°)；R为水力半径，m；A为河道过水断面面积，m2。

河道沿线各断面设计洪水水面线相关参数及结果(部分)见表2。通过对比发现，数值均低于该控制断面实测调查的历史洪水位，这主要是由于河道下切所致。

表2 整治段河道各计算断面水力要素表(部分)

3 河道堤防工程设计要点分析

3.1 堤顶高程设计

堤顶超高Y计算公式见式(2)：

Y=R+e+A

(2)

式中：R为设计波浪爬高，取值0.19 m；e为设计风壅高度，取值0.0 m；A为安全加高值，本工程为5级堤防，取0.5 m。

计算结果得Y=0.69 m。因此，本次切德克苏河河段河堤全部按照该值加高[3]。

本项目采用设计洪水流量相应的水位来确定设计防洪堤的堤顶高程(堤顶高程=设计洪水位+堤顶超高)，但在计算堤顶高程基础上又进行了微调，最终得到设计堤顶高程，具体数据见表3[4]。

小虫正在市场上，和一个卖调料的在喝啤酒。天很热，菜市场像个闷罐子，一丝风儿都透不进来。空气里混合着烂菜叶味鸡粪味鱼腥味，在菜场的角角落落里弥漫，融合在啤酒和饭菜里。小虫早习惯了这些味道，仍把啤酒喝得咕噜咕噜响。卖调料的和小虫很熟，见到小虫像见到首长似的，特别巴结小虫。小虫要什么，张个嘴就行，卖调料的求之不得。小虫能在他这儿喝顿啤酒，绝对是赏他光了，因而一个劲地和小虫干杯。小虫对他的关照自然也不少，水费电费摊位费，能少则少，城管工商这税那费的，小虫打个招呼能免了一半。有小虫替他撑腰，卖调料的在菜场里谁都不用惧。

表3 防洪堤特征洪水位计算表

3.2 堤防型式选择

本段河道防洪工程主要是对现有河道断面进行整治，沿河道两岸修建护岸堤防。通过现场勘测，结合现状河道走势、两岸设施及现有堤防来布置防洪堤。原则上是不改变原河道中心线，只是局部栽弯取直，调整转弯弧度和半径，力求水流平顺[5]。

根据切德克苏河特点，结合现场地质条件、施工条件、技术难度等因素，堤防结构型式设计以下3个方案，具体对比见表4。

表4 方案技术经济比较表

方案一：“砼板护坡+现浇砼护脚”型式

防洪堤结合河岸坡修建，在现有岸坡基础上加高河堤，可充分利用河床整治中的弃土。设计堤顶宽5.0 m，高2.0 m，迎水面边坡1∶1.75，背水面边坡1∶1.5；迎水面边坡采用C20现浇砼板护砌，厚度0.2 m，下设φ6钢筋网片；护坡基础向河床下埋深3.5 m，下部为0.5 m×0.8 m现浇砼堤脚[6]。

方案二：“上部铅丝笼+下部钢筋笼”型式

迎水面、背水面边坡均为1∶1.5，堤顶宽4.0 m，高2.5 m，采用河床开挖料填筑；上部笼为8#铅丝编织，规格2.0 m×1.0 m×0.5 m；沿河底平铺1层钢筋块石笼，12#钢丝网编织，规格1.5 m×1.0 m×1.0 m。

方案三：“格宾块石笼护坡+后置防洪堤”型式

迎水面、背水面边坡均为1∶1.5，堤顶宽4.0 m，高2.5 m，采用外运碎石土和河岸原土填筑，相对密度在0.75以上；护岸采用厚0.5 m格宾块石笼护砌，直至河床底部；底部护脚沿河底平铺2层格宾块石笼，厚1.0 m，宽2.0 m。

3.3 堤防稳定性计算分析

3.3.1 岸坡冲刷深度计算

岸坡冲刷深度计算对护坡基础埋深设计有决定作用。本项目根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)计算平顺护岸冲刷深度hs，公式见式(3)，计算结果见表5[7]。

(3)

式中：H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s；n为相关系数，取值1/4。

表5 防护岸坡冲刷深度成果表(部分)

根据表5数据可知，水流产生的冲刷深度范围0.62～0.70 m。本项目从工程安全角度考虑，堤防工程考虑2倍基础超深，确定基础埋深为2 m。

3.3.2 堤防稳定计算

1) 计算工况。本项目按照《堤防设计规范》(GB 50286-2013)的规定，土质堤防抗滑稳定计算可分为正常情况和非常情况，具体工况见表6。

表6 土堤稳定计算工况表

2) 稳定性计算。本项目采用“圆弧分析法”进行分析(理正计算软件)，见图1。测定该河段堤身相关参数如下：基础厚度10 m，黏聚力C=0 kPa，内摩擦角φ=31°，容重γ=20 kN/m3，地震烈度为Ⅷ度。

由表7计算结果可知，在计算工况下，临水坡、背水坡的安全系数均大于各自的允许安全系数，表明防洪堤断面尺寸满足抗滑稳定性要求。

(αi为坡角；b为条块宽度；R为圆弧半径)图1 圆弧分析法示意图

表7 上下游安全稳定系数计算成果表

4 结 语

河道堤防治理工程虽然总体上技术难度小，但是由于涉及范围广，总投资规模较大，因此在设计时应密切结合工程成本要求、所担负任务、位置等因素。切德克苏河伊车嘎善乡段因为没有通过居民区，所以没有过多考虑生态河道景观建设，显著节省了建造成本。本项目投入使用后，河道通洪能力大大提高，且护岸问题得到彻底解决，使区域不再受洪水威胁，取得了较好的社会效益和经济效益。